EP0279300B1 - Gusseisen zur Fertigung von Bremstrommeln - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B5/00—Making pig-iron in the blast furnace
- C21B5/02—Making special pig-iron, e.g. by applying additives, e.g. oxides of other metals
-
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- C22C—ALLOYS
- C22C37/00—Cast-iron alloys
- C22C37/06—Cast-iron alloys containing chromium
Definitions
- From DE-OS 3305 184 is a cast iron for the production of brake drums of solid and ventilated brake discs and other brake bodies with an alloy of 3.7-3.9% carbon 0.6-0.9% manganese 1.8 - 2.5% silicon less than 0.1% phosphorus less than 0.12% sulfur, known, the cast iron has a pearlitic structure.
- the present invention is therefore based on the object of providing a cast iron of the type mentioned at the outset, which has the lowest possible ferrite content with high tensile strength.
- this object is achieved by the combination of the following features, namely a pearlitic basic structure with a maximum of 5% ferrite content and a tensile strength of at least 200 N / mm2 with the following chemical composition:
- the specified alloy components such as chromium, molybdenum, manganese and copper, determined in long tests, achieve a tensile strength of at least 200 N / mm2.
- molybdenum In combination with chromium, molybdenum also ensures a high core strength of the structure and, as an alloy component, gives good heat resistance with changing thermal loads on the brake discs.
- the carbon content up to max. 3.68% is achieved by melting in the cupola furnace at the C level of 3.4 - 3.45%.
- the remaining 0.25 - 0.30% are introduced into the ladle using electrode graphite by tapping the liquid iron using a special vaccination process.
- the resulting optimal inoculation effect gives rise to A-graphite of size 3-4. It was surprisingly found that carbide deposits in the pearlitic structure despite their alloying elements such as chromium and molybdenum do not occur.
- the high carbon content causes a lot of graphite excretion with its excellent thermal conductivity and high thermal resistance properties for brakes. This means that the heat build-up on the brake friction rings can be spread over the entire disc in a very short time, which significantly reduces thermal stresses and fire cracks.
- Sulfur is used to achieve a maximum of 0.095% Manganese-sulfur ratio used, but should not exceed the specified value.
- the cast iron according to the invention has a fine structure and the graphite lamellae become somewhat shorter, as a result of which the higher strength according to the invention can be achieved.
- a high proportion of carbon counteracts this, i.e. causes a reduction in strength and a coarser structure.
- a high carbon content is a cost factor.
- a low carbon content can be used, in the determined range of 3.62 - 3.68% if this is done with the other alloy components combined. In this case, the desired high strength values and heat resistance are achieved.
- the parts to be treated are brought to a temperature of 650-720 degrees C. in a heating-up time of 180 minutes and then kept at this temperature for 30 minutes, after which slow cooling in the annealing furnace to 250 degrees C.
- the parts Before annealing, the parts should be pre-processed, namely roughed.
- the cast skin of the friction surface and the inside of the pot should be removed approx. 1.5 mm.
- the subsequent post-treatment process according to the invention eliminates both internal stresses generated during the cooling process and stresses caused by the processing. It is also essential that, due to the increased strength achieved by the alloy components in a certain area, higher residual stresses can arise, which can be eliminated by the post-treatment process according to the invention.
- the longer heating time specified for the heating of the parts to be treated prevents their warping.
- the cooling down after the specified holding time should in any case be carried out slowly so that no new tensions arise. This can e.g. can be achieved in a simple manner by switching off the annealing furnace, the parts remaining in the slowly cooling annealing furnace for a relatively long time.
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Description
- Aus DE-OS 3305 184 ist ein Gußeisen zur Fertigung von Bremstrommeln von massiven und belüfteten Bremsscheiben und sonstigen Bremsenkörpern mit einer Legierung von
3,7 - 3,9 % Kohlenstoff
0,6 - 0,9 % Mangan
1,8 - 2,5 % Silizium
weniger als 0,1 % Phosphor
weniger als 0,12 % Schwefel,
bekannt, wobei das Gußeisen ein perlitisches Grundgefüge aufweist. - Aufgrund der Entwicklung von neuen asbestfreien Bremsbelägen wurde es notwendig auch Gußeisenlegierungen bei Bremstrommeln, Bremsscheiben und dgl. zu verwenden, die höhere Temperaturen ertragen. Hierzu ging die allgemeine Tendenz bei den Anwendern bisher dahin, hoch warmfeste Eisensorten mit höherem Kohlenstoffgehalt zu verwenden, die jedoch Nachteile aufweisen, insbesondere bezüglich einem groben Gefüge und der Festigkeit.
- Gemäß der DE-OS 33 05 184 wird ein Werkstoff für Bremsenkörper vorgeschlagen, der einerseits eine ausreichende Festigkeit aufweisen soll, andererseits jedoch auch eine gute Wärmeableitung und eine hohe Dämpfungseigenschaft. In dieser Druckschrift wurde angegeben, daß auch bei niederen Festigkeitswerten die Warmzugfestigkeit bei extrem hohen Temperaturen von GG 30 nur geringfügig höher bzw. fast gleich derjenigen von GG 15 ist. Der Grauguß mit der relativ niedrigen Festigkeit soll ferner geringere Eigenspannungen besitzen, sich wegen des hohen C-Gehaltes bei der Bearbeitung weniger aufheizen und geringere Verzugserscheinigungen bei thermischer Belastung aufweisen als der bisher verwandte Grauguß mit hoher Festigkeit.
- In der Praxis hat sich nun jedoch gezeigt, daß dieser Grauguß in nicht unerheblichen Mengen Ferritanteile aufweist. Ferritanteile in der Bremstrommel haben jedoch den Nachteil, daß die Reibpaarung, d.h. der Reibungskoeffizient zwischen den Bremsbelägen und der Bremstrommel bzw. Bremsscheibe sich verändert. Dies bedeutet, daß die Verzögerung beim Bremsen geringer wird. Optimal wäre somit ein möglichst 100%iges perlitisches Gefüge.
- Außerdem wurde festgestellt, daß in vielen Fällen die Zugfestigkeit dieses Gußeisens nicht ausreicht.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Gußeisen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das möglichst geringe Ferritanteile bei hoher Zugfestigkeit besitzt.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale gelöst, nämlich einem perlitischen Grundgefüge mit maximal 5% Ferritanteil und einer Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² mit folgender chemischer Zusammensetzung:
- Durch die angegebene und in langen Versuchen ermittelten Legierungsbestandteile, wie Chrom, Molybdän, Mangan und Kupfer wird eine Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² erreicht.
- Zusätzlich wurde in überraschender Weise festgestellt, daß Kupfer und auch Molybdän stabilisierend auf den Perlit wirken und zwar ohne zu Carbidausscheidungen zu führen. Es wurde festgestellt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Gußeisen ein 100%iges perlitisches Grundgefüge erreichen läßt.
- Molybdän bewirkt weiterhin in Verbindung mit Chrom eine hohe Kernfestigkeit des Gefüges und gibt als Legierungsbestandteil gute Warmfestigkeiten bei wechselnder thermischer Belastung der Bremsscheiben. Der Kohlenstoffgehalt bis max. 3,68 % wird durch Erschmelzen im Kupolofen im C-Level von 3,4 - 3,45 % erreicht. Die restlichen 0,25 - 0,30 % werden durch ein Spezialimpfverfahren beim Abstich des Flüssigeisens in die Gießpfanne mittels Elektrodengraphit eingebracht. Der entstehende optimale Impfeffekt läßt durchweg A-Graphit der Größe 3-4 entstehen. Dabei wurde überraschenderweise festgestellt, daß Carbidausscheidungen im perlitischen Grundgefüge trotz deren Legierungselemente wie Chrom und Molybdän nicht vorkommen.
- Der hohe Kohlenstoffgehalt bewirkt viel Graphitausscheidung mit seinen für Bremsen hervorragenden Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit und der hohen thermischen Beständigkeit. Dies bedeutet, daß der Hitzestau auf den Bremsreibringen in kürzester Zeit auf die gesamte Scheibe verteilt werden kann, wodurch thermische Spannungen und Brandrisse deutlich vermindert werden.
- Von Vorteil ist auch, daß aufgrund fehlender Carbidausscheidungen in dem perlitischem Grundgefüge Brandflecken, Risse durch Ausdehnungsfehler an den Reibringoberflächen, sowie das Auftreten von Hotspots nicht entstehen. Das nachteilige Rubbeln der Scheiben bei den bisher verwendeten Materialien wird, soweit dies materialbedingt ist, durch das erfindungsgemäße Gußeisen ausgeschlossen.
- Da Silizium die Wärmeleitfähigkeit erheblich reduziert, darf ein Bestandteil von 2,1 % nicht überschritten werden, da diese Eigenschaft der gewünschten schnellen Wärmeverteilung in der Scheibe entgegenwirkt. Der angegebene Wert von 0,08 % für Phosphor darf nicht überschritten werden, um Steadit und damit harte Bestandteile im Grundgefüge zu verhindern.
- Schwefel wird bis maximal 0,095 % zur Erreichung des Mangan-Schwefel-Verhältnisses gebraucht, sollte jedoch den angegebenen Wert nicht überschreiten.
- Bei dem erfindungsgemäßen Gußeisen ergibt sich ein feines Gefüge und die Graphitlamellen werden etwas kürzer, wodurch die erfindungsgemäße höhere Festigkeit erreicht werden kann. Ein hoher Kohlenstoffanteil wirkt diesem an sich entgegen, d.h. bewirkt eine Festigkeitsverminderung und ein groberes Gefüge. Außerdem stellt ein hoher Kohlenstoffanteil einen Kostenfaktor dar. In langwierigen Versuchen wurde nun festgestellt, daß man entgegen der allgemeinen Meinung mit einem geringen Kohlenstoffgehalt auskommt und zwar in dem ermittelten Bereich von 3,62 - 3,68 %, wenn man dies mit den übrigen Legierungsbestandteilen kombiniert. In diesem Falle kommt man zu den gewünschten hohen Festigkeitswerten und der Wärmebeständigkeit.
- Zur Entspannung der Gußteile (künstliches Altern) nach Ihrer Herstellung wird erfindungsgemäß eine an sich bekannte Wärmenachbehandlung vorgeschlagen, die in erfinderischer Weise an das erfindungsgemäße Gußeisen angepaßt worden ist.
- Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die zu behandelnden Teile in einer Aufheizzeit von 180 Minuten auf eine Temperatur von 650 - 720 Grad C gebracht und anschließend für 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten werden, wonach eine langsame Abkühlung im Glühofen auf 250 Grad C erfolgt.
- Vor dem Glühen sollen die Teile vorbearbeitet, nämlich geschruppt, werden. Die Gußhaut der Reibfläche, sowie des Topfinnenbodens, sollte ca. 1,5 mm entfernt werden. Durch das anschließende erfindungsgemäße Wärmenachbehandlungsverfahren werden sowohl während der Abkühlung entstandene Eigenspannungen als auch Spannungen, die durch das Bearbeiten entstanden sind, eliminiert. Wesentlich dabei ist auch, daß aufgrund der durch die Legierungsbestandteile in einem bestimmten Bereich erzielte angehobene Festigkeit höhere Eigenspannungen entstehen können, welche durch das erfindungsgemäße Wärmenachbehandlungsverfahren beseitigt werden können.
- Auf diese Weise sind nach der Wärmebehandlung nur noch geringe Bearbeitungen notwendig, wodurch ein erneutes Auftreten von Spannungen vermieden werden kann.
- Es wurde festgestellt, daß durch die angegebene längere Aufheizzeit für die Erwärmung der zu behandelnden Teile deren Verziehen vermieden wird. Die Abkühlung nach der angegebenen Haltezeit soll auf jeden Fall langsam vorgenommen werden, damit keine neuen Spannungen entstehen. Dies kann z.B. auf einfache Weise durch ein Abschalten des Glühofens erreicht werden, wobei die Teile noch längere Zeit in dem sich langsam abkühlenden Glühofen verbleiben.
Claims (2)
- Gußeisen zur Fertigung von Bremskörpern, insbesondere von massiven und belüfteten Bremsscheiben und Bremstrommeln, aus einem Gußeisen mit perlitischem Grundgefüge wobei die Legierung ein perlitisches Grundgefüge mit maximal 5% Ferritanteil und eine Zugfestigkeit von mind. 200 N/mm² mit folgender chemischer Zusammensetzung aufweist:
- Verfahren zur Wärmenachbehandlung des Gußeisens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zu behandelnden Teile in einer Anfahrzeit von 180 Minuten auf eine Temperatur von 650 - 720 Grad C gebracht und anschließend für 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten werden, wonach eine langsame Abkühlung im Glühofen auf 250 Grad C erfolgt.
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